DE3417858A1

DE3417858A1 - Winkelgeschwindigkeits-fuehlsystem

Info

Publication number: DE3417858A1
Application number: DE19843417858
Authority: DE
Inventors: Evert C Alsenz; William F Juptner; David F Macy
Original assignee: Piezoelectric Technology Investors Inc
Current assignee: Piezoelectric Technology Investors Inc
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-11-21
Also published as: GB2158579A; GB2158579B; DE3417858C2; FR2564203B1; FR2564203A1; GB8411918D0; USRE33479E

Description

Winkelgeschwindigkeits-Fühlsystem

Bei der Winkelgeschwindigkeit der Bewegung eines Flugzeugs bzw. -körpers handelt es sich um eine wesentliche Eingangsgröße für sämtliche Navigations- und Inertial-Leitsysteme.Derartige Systeme werden herkömmlicherweise in Luft- und Raumfahrzeugen, Schiffen oder Geschossen eingesetzt. Es ist derzeit üblich, die Winkelgeschwindigkeit mittels einer Kreiselanordnung zu erfassen.

Derartige Kreiselanordnungen haben jedoch verschiedene Nachteile. Zunächst müssen sie mit extremer Präzision aufgebaut sein und weisen oft Driftraten von Bruchteilen eines Grades pro Stunde auf. Infolge des hohen Fertigungsaufwandes sind sie äußerst teuer, außerdem körperlich sehr groß und schwer. Sie müssen häufig und genau gewartet werden, da kritische Bewegungselemente - beispielsweise die Lager - zeitlichen Veränderungen unterliegen. Weiterhin können sie bereits bei

schwachen Stößen und Schwingungen Schaden nehmen. Hierdurch ι kann die Driftrate unkontrolliert zunehmen.

ι Da Kreiselanordnungen gegenüber Stößen und Schwingungen empfindlich sind, werden sie zum Schutz oft mit schweren Lagerungen

j und Halterungen versehen, die ebenfalls teuer sind.

i Es ist also einzusehen, daß es wünschenswert wäre, Kreisel-

¹ anordnungen durch eine andere Einrichtung zu ersetzen, die j weniger kostenträchtig und in der Lage ist, Winkelgeschwin-

digkeiten zu messen, so daß sich mit ihr die Lage eines Luft-

I bzw. Wasserfahrzeugs ermitteln läßt. Die vorliegende Erfin-

I dung bietet nun ein derartiges Winkelgeschwindigkeits-Fühl-

system mit
! (a) einer resonanten Struktur aus Quarz mit piezoelektri-

j sehen Eigenschaften, die mindestens zwei schwingende

j Elemente aufweist, die jeweils aus zwei im wesentlichen

parallelen Schenkeln sowie einem gemeinsamen Schaft be-I stehen, wobei die Schenkel und der Schaft in einer

> Ebene liegen, der gemeinsame Schaft als Ausgangsschaft i

dient und die Struktur einen symmetrischen resonanten

; Fühler schafft, der ausschließlich auf Winkelbewegungen j um eine zum Ausgangsschaft parallele Achse anspricht, so daß der Ausgangsschaft eine Torsionsauslenkung er-

I fährt;

i (b) einer mit den Schenkeln gekoppelten elektromagnetischen

i Einrichtung, die diese in Schwingungen mit einer Erre- j

I gungsfrequenz versetzt; und j

; (c) einer mit dem Ausgangsschaft gekoppelten Ausgangsein- !

ι richtung, die ein elektrisches Signal erzeugt, das die j

j !

! Winkelgeschwindigkeit der Bewegung um die Achse dar- '

i j

I stellt, die das System erfährt. '

! I

i !

i I

Bei einem solchen Fühler handelt es sich vorzugsweise um eine

I Stimmgabel. Die Stimmgabel sollte im wesentlichen mechanisch !

ι temperaturstabil sein, eine niedrige Innenreibung aufweisen '

, und dem Hook'sehen Gesetz folgen. Vorzugsweise, aber nicht

; unbedingt,besteht die Stimmgabel aus Quarz. Andere piezoelek-

! trische Materialien lassen sich jedoch ebenfalls verwenden,

I beispielsweise synthetische Kristalle wie Äthylendiamintartrat

j (EDT), Dikaliumtartrat (DKT) oder Ammoniumdiwasserstoffphosphat

; (ADP). Nichtpiezoelektrische Werkstoffe lassen sich zusammen

I mit einem piezoelektrischen Antrieb verwenden.

I Vorzugsweise besteht dit Stimmgabel aus einem Isolierstoff

j wie Quarz, es lassen sich jedoch auch leitfähige Stoffe ver-

! wenden; in diesem Fall müssen die Schenkel der Stimmgabel

j elektromagnetisch erregt werden, d.h. durch ortsfeste Spulen

' und ein magnetisches System auf den Schenkeln.

- 10 -

Die Stimmgabel hat zwei Schenkel, die schwingungsfähig parallel zueinander angeordnet sind. Sie sind mit einem Ausgangsschaft oder Griff miteinander verbunden, an dem das Ausgangssignal abgenommen werden kann. Das Ausgangssignal entspricht einfach der als Eingangsgröße auftretenden Winkelgeschwindigkeit der Bewegung, der das System ausgesetzt ist, und die eine Auslenkung im rechten Winkel in Richtung der Schwingung erzeugt. Ein optisches oder frequenzmoduliertes Ausgangssignal läßt sich ebenfalls ableiten.

Das Ausgangssignal läßt sich erzeugen, indem man vier Konden- ι

satoren mit den Schenkeln oder dem Ausganqsschaft koppelt; es [

kann auch piezoelektrisch, resistiv oder optisch erhalten werden. Meßbare Eingangs-Winkelgeschwindigkeiten in der Größenordnung von zehn Grad pro Stunde am Fühler der erfindungsgemäßen Anordnung sind niedrig genug für eine Verwendung als magnetisch korrigierte Richtungsreferenz und als schwerkraftkorrigierte Vertikallagereferenz. Falls Eingangsgeschwindigkeiten von 0,1 Grad pro Stunde meßbar sind, ist das System auch brauchbar als Inertial-Referenz wie bei in sich abgeschlossenen Inertial-Leitsystemen.

Die neuartigen Merkmale, die als die Erfindung kennzeichnend angesehen werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen niedergelegt. Die Organisation und Arbeitsweise der

der Erfindung sowie ihre Ziele und Vorteile ergeben sich jedoch klarer aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Stimmgabel zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein Seitenriß der Stimmgabel *~ der Fig. 1 und zeigt zwei Paare von Elektroden zur Abnahme eines Ausgangssignals;

Fig. 3 ist eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Stimmgabeln, wobei das Gehäuse fortgelassen ist;

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Fig. 3 und zeigt ein die Stimmgabel umgebendes Gehäuse;

Fig. 5 ist ein Schnitt auf der Linie 5-5 der Fig. 3 und zeigt ebenfalls das Gehäuse sowie den kapazitiven Ausgang zur Verwendung in der Brückenschaltung;

Fig. 6 zeigt die durch die Elektrodenanordnung der Fig. 5 dargestellte Kapazitätsbrücke;

Fig. 7 ist eine vergrößerte Draufsichtdarstellung eines Teils des Fühlers nach Fig. 3 und zeigt sowohl die Erreger- als auch die Ausgangselektroden einschließlich der Ausgangsleitungen des Fühlers der Fig. 3;

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild der Ausgangsschaltung für die Brückenschaltung der Fig. 7;

Fig. 9 ist ein dem der Fig. 8 ähnliches Blockschaltbild, zeigt aber einen piezoelektrischen Ausgang, wie er mit der Elektrodenkonfiguration nach Fig. 13 erreichbar ist;

Fig. 10 ist eine Draufsicht eines weiteren Winkelgeschwindigkeitsfühlers mit

zwei Stimmgabeln, die in einer Linie mit und rechtwinklig zu dem Ausgangs-

schaft angeordnet sind;

Fig. 11 zeigt schaubildlich die infolge der mechanischen Verformung am Ausgangs-

schaft entstehende Spannung;

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsfühlers ,aber mit vier Stimmgabeln, wobei jeweils die Stimmgabeln eines Paares in einer Linie und die beiden Paare parallel zum Ausgangsschaft angeordnet sind;

Fig. 13 ist eine schaubildliche vergrößerte Darstellung eines Teils des Fühlers der "~ " Fig. 12 und zeigt die Erreger- sowie eine der Ausgangselektroden; und

Fig. 14 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fühlers mit acht Stimmgabeln, wobei jeweils vier auf einer Achse liegen und die Achsen der zwei Sätze von Stimmgabeln parallel zur Achse des Ausgangsschafts verlaufen.

In der Zeichnung zeigen insbesondere die Fig. 1 und 2 eine einfache Stimmgabel, um das Grundprinzip der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Wie erwähnt, besteht die Stimmgabel 10 aus einem piezoelektrischen Werkstoff wie beispielsweise bestimmten synthetischen Kristallen und vorzugsweise aus Quarz. Die Fig. 1 und 2 zeigen so eine

Stimmgabel 10 mit zwei Schenkeln 11, 12 sowie einem Ausgangsschaft bzw. Griff 13. Die Schenkel können durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Schwingungen versetzt werden, wie in Verbindung mit Fig. 4 und 6 erläutert werden wird. Zwei Elektroden 14, die von den freien Enden der beiden Schenkel (beispielsweise 11) beabstandet angeordnet sind (vergl. Fig. 2), liefern kapazitiv eine Ausgangsgröße. Die Schenkel schwingen dabei zunächst zueinander hin, wie mit den Pfeilen 15 gezeigt, um in der nächsten Halbperiode voneinander hinweg, wie mit den Pfe'ilen 16 gezeigt. Die Stimmgabel stellt einen also symmetrischen Resonanzschwingkreis dar, da die Schenkel 11, 12 symmetrisch sind.

Das elektrische Ausgangssignal läßt sich mit zwei weiteren Elektroden 17, 18 erzielen, die unmittelbar im Bereich zwischen den Schenkeln 11, 12 und dem Ausgangsschaft 13 angeordnet sind. Die beiden Elektroden 17, 18 nehmen infolge der Auslenkung der Stimmgabel 10 unter der Winkelbewegung des Systems unterschiedliche Polaritäten an. Nachdem die Winkelbewegung angelegt ist, läßt sich die zeitliche Ableitung, d.h. die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung, leicht erhalten.

Es sei nun eine Stimmgabel mit einem Abstand von 0,5 cm vom Mittelpunkt der Bewegung bis zum Ende des Schenkels 11 bzw. ein Abstand von 0,2 cm für den von der Elektrode 14 bedeckten

Teil des Schenkels, einen Abstand von 0,4 cm vom Bewegungsmittelpunkt zum Mittelpunkt der Elektrode 14, eine Breite jedes Schenkels von 0,05 cm, eine Dicke jedes Schenkels von 0,005 cm angenommen, während die halbe Amplitude der Schwingung 0,00025 cm, die Erregungsfrequenz 10 kHz und die spezifische Dichte des Quarzmaterials 2,6 g/cm³ betragen. Unter diesen Annahmen läßt sich der Winkelimpuls H errechnen zu

H = 6,53 χ 10"⁴ g.cmVs; (D

entsprechend enthält man ein Drehmoment T zu

T= 1,89 χ 10~⁷ g.cm (2)

und beträgt die Auslenkung der Schenkel

Y = 1,62 χ 10~⁷ cm (3)

Es läßt sich nun zeigen, daß die Wirkung N einer Vergrößerung ; der Stimmgabel, nicht aber ihrer Breite, mit der fünften Potenz ■ der Vergrößerung der Abmessungen steigt. Es läßt sich also

folgende Tabelle aufstellen: J

Tabelle	1	3
2		243
32

N 1 2 3 4 . . 5

N⁵ 1 32 243 1024 3125

Y_N(cm) 1,62x10~⁷ 5,18x10~⁶ 3,94x10~⁵ 1,66x10~⁴ 3,13x10"⁴

Es ist aus der Tabelle 1 also zu ersehen, daß eine Vergrößerung der Stimmgabel eine erhebliche Zunahme der Auslenkung der Schenkel mit sich bringt.

Die Fig. 3 bis 9 und insbesondere die Fig. 3 bis 6 zeigen nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Aus- i führungsform sind zwei Stimmgabeln vorgesehen, deren beide Achsen parallel beabstandet zur Zentralachse verlaufen. So setzen sich die ersten Schenkel 20, 20' der beiden Stimmga-

bein aus einem einzelnen Abschnitt 22 zusammen. Der Abschnitt I 22 ist zu zwei Teilen unterteilt, die über einen Spalt 23 die J

beiden Stimmgabeln 20, 21 ausmachen, wobei jedoch ein kleiner ι

Steg 24 die beiden Teile 20, 21 verbindet. Der andere Abschnitt { 22' ist genau symmetrisch zum Abschnitt 22 ausgeführt und weist die anderen Schenkel 20', 21' der beiden Stimmgabeln auf.

Die beiden Enden jedes der beiden Abschnitte 22, 22* sind über ein Verbindungselement 25, 25' miteinander verbunden. Das Element 24 ist von den beiden Abschnitten 22, 22' über zwei Spalte 26, 26' getrennt. Das andere Verbindungselement

25' ist von den beiden Abschnitten 22, 22* auf gleiche Weise getrennt.

Die beiden Verbindungselemente 25, 25' bilden den Ausgangsschaft. Sie sind jeweils über eine kleine Brücke 27, 28' mit einem umgebenden Rahmen 30 verbunden, der von den beiden Abschnitten 22, 22' getrennt ist. Wie die Fig. 4 zeigt, kann die Stimmgabel von einem Gehäuse 31 eingeschlossen sein. Es bilden also die Abschnitte 20, 20' ein Paar Schenkel, die Ab- ; schnitte 21, 21' die andere Stimmgabel. j

i Die Fig. 5 zeigt die Elektroden, die an den Enden eines Paares '

j Schenkel 20, 20' einer Stimmgabel vorgesehen sein können. Der

i Schenkel 20 ist auf den gegenüberliegenden Seiten mit einer ! einzelnen Elektrode 32, 33 versehen. Entsprechend ist der ' Schenkel 20' mit einer einzigen Elektrode 34, 35 versehen.

• Eine der Innenflächen des Gehäuses 31 ist mit einer entspre-

': chenden Elektrode 36 versehen, während die andere bzw. gegen-

j überliegende Innenfläche eine Elektrode 37 trägt.

! Ein Fühloszillator 38 ist an die beiden Innenelektroden 36, ! des Gehäuses 31 angelegt. Es ist also zwischen den Elektroden ■ 37, 32 eine Kapazität 40, eine weitere Kapazität 41 zwischen

den Elektroden 33, 36, eine dritte Kapazität 42 zwischen den

i ·

: Elektroden 34, 37 und eine vierte Kapazität 43 zwischen den

' Elektroden 35, 3 6 gebildet.

Eine Ausgangsanzeige der Brückenschaltung der Fig. 6 kann man

mit dem Instrument 44 erhalten. i

Die Ausgangsschaltung der Kapazitätsbrücke der Fig. 6 ist in j Fig. 8 gezeigt. Der Erregeroszillator 46 kann mit einer Vervielfacherschaltung 47 auf eine höhere Frequenz gebracht werden. Der Erregeroszillator arbeitet auf den Fühler der Fig. 3. Ein Brückenverstärker 4 8 kann dazu dienen, das Ausgangssignal des Instruments 44 zu verstärken. Der folgende Phasendetektor arbeitet mit einer Referenzphase aus dem Vervielfacher 47, der an den Erregeroszillator 46 angeschlossen ist. Auf den Phasendetektor folgen die Filter 51 und ein Analog-Digital-Wandler 52, der einen Mikroprozessor, Linearisator, Anzeigetreiber und Digital-Analog-Wandler 53 ansteuert. Das Ausgangssignal kann daher an der Digital-Ausgangsleitung 54 oder an der Analog-Ausgangsleitung 55 abgenommen und auf eine geeignete Anzeigevorrichtung gelegt werden.

Es sei nun auf die Fig. 7 verwiesen, die vergrößert einen Teil des Fühlers der Fig. 3 und dessen Elektroden zeigt. Auf dem Schenkel 20 befinden sich zwei Erregerelektroden 60, 61. Die beiden Erregerelektroden sind an die Leitungen 62, 63 angeschlossen, die ihrerseits zum Erregeroszillator führen. Die beiden Elektroden sind voneinander geringfügig beabstandet, so daß ein elektrisches Feld zwischen ihnen entsteht, das den Schenkel in Schwingungen versetzt. Der andere Schenkel 20' ist . - - ... - j

ebenfalls mit entsprechenden Elektroden 60', 61' versehen, die ebenfalls mit den Ausgangsleitungen 62', 63' versehen sind; die Leitungen 62, 63 sind miteinander verbunden.

Eine Fühlelektrode 64 ist mit einer anderen Fühlelektrode verbunden, die ebenfalls auf dem Schenkel 20 sich befindet. Die Ausgangselektroden 64, 65 sind mit den Leitungen 66 und dem Rahmen 30 verbunden. Der andere Schenkel 20' ist mit enti sprechenden Ausgangselektroden versehen.

: Wie ersichtlich, sind die Ausgangselektroden 64, 64' unmittelbar auf dem Schenkel angeordnet, um einen kapazitiven Aus-

; gang zu bilden, wie in Fig. 6 gezeigt. Es ist einzusehen, daß eine der Ausgangsleitungen (beispielsweise 62, 63) an Masse

; I

ι gelegt sein kann. ·■

1 '

j Die Fig. 9 zeigt eine piezoelektrische Ausgangsschaltung für

j die Elektroden der Fig. 13. Der Erregeroszillator 46 erregt j wiederum den symmetrischen Fühler der Fig. 3 und 13 über die

• Leitungen 94, 91. In diesem Fall erscheint eine piezoelektrische

; Spannung an den Elektroden 96 und der entsprechenden verdeckten

j Elektrode infolge der im Kristall bei der Auslenkung der

: Schenkel auftretenden Verformungen. Ein Pufferverstärker 67

■ folgt auf den Fühler der Fig. 3, 13 und diesem seinerseits ein

! Phasendetektor 50, ein Filter 51, ein Analog-Digital-Wandler

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sowie ein Digital-Analog-Wandler 53. Auch hier erhält man ein
Digital- oder ein Analog-Ausgangssignal auf den Ausgangsleitungen 54, 55. Es sei darauf verwiesen, daß die Spalte (beispielsweise 23, 26 in Fig. 3) es möglich machen, die Masse

der Schenkel zu erhöhen und damit die Resonanzfrequenz zu sen- I

i ken. Die Resonanzfrequenz der Schenkel in Richtung der Ausgangs-I

Auslenkung läßt sich gleich der Frequenz des Erregersignals i machen. Die Resonanzfrequenzen hängen also von der Masse der

i Schenkel (beispielsweise 20, 21) und den Abmessungen der Spal- ]

te 23, 26 ab. Diese Werte lassen sich beliebig wählen.

Die Fig. 10, 11 zeigen eine weitere Konfiguration des erfin- J

dungsgemäßen Fühlers. Wie die Fig. 10 zeigt, weist der Füh- |

ler zwei Stimmgabeln 70, 71 auf, die auf einer gemeinsamen
Achse im rechten Winkel zum Ausgangsschaft 72 angeordnet sind.

Der Ausgangsschaft 72 ist vorzugsweise zwischen den beiden
Wänden 73, 74 festgelegt. Vorzugsweise ist der Ausgangsschaft
72 mit zwei symmetrischen, im wesentlichen rechtwinkligen Öff- | nungen 75, 75" ausgeführt, und zwar primär, um das Gewicht des j

Ausgangsschafts sowie seine Steife zu verringern. Es wird also
auch die Resonanzfrequenz des Ausgangsschafts 72 sinken. Der
Ausgangsschaft 72 kann folglich seinerseits als Paar von Stimmgabeln dienen.

' Die Fig. 11 zeigt die Polung der Ausgangsspannung mit den

Kurven 76, 77, d.h. auf gegenüberliegenden Seiten des Aus-I gangsschafts 72.

Die Fig. 12, 13 zeigen eine weitere Konfiguration eines Füh-

! lers nach der vorliegenden Erfindung, wobei zwei Paare von Ab-

^! Stimmgabeln entstehen. Wie die Fig. 12 zeigt, ist ein erstes ^;

Paar von Stimmgabeln 83, 84 mit einer gemeinsamen Achse sowie j

ein zweites Paar Stimmgabeln 85, 86 ebenfalls mit einer ge- .

■ meinsamen Achse vorgesehen, wobei die beiden Achsen vom Aus- j

ι I

i gangsschaft 87 beabstandet sind. Die beiden Paare von Stimm- ■ gabeln sind über die Verbindungsstücke 88 mit dem Ausgangs-

; schaft 87 verbunden.

! t

J t

i ' I

ι Fig. 13 zeigt an einem Beispiel, wie man die Stimmgabeln er- I

i ι

regen kann. Die Eingangsleitungen 90, 91 aus dem Erregeroszil- _;

; lator sind so verschaltet, daß die Eingangsleitung 91 zu den j j Stimmgabeln 83, 84 führt. Gleichzeitig wird das obere Gehäuse

! 94 aus der Eingangsleitung 90 - ebenso wie das unter Gehäuse 95

' - erregt, so daß ein elektrisches Feld zwischen den Gehäusen

; 94, 95 und den Stimmgabeln 83, 84 liegt. !

ι :

i _ ι

I Eine der Ausgangs- bzw. Fühlelektroden 96 kann auf dem Ver-

: bindungsteil 88 angeordnet sein; die andere Ausgangselektrode

j liegt hinter der Elektrode 96 und ist in Fig. 13 nicht sichtbar.;

j Der Fühler der Fig. 14 ist durch zwei Paare von jeweils vier ί

Stimmgabeln gekennzeichnet. So hat ein erster Satz Stimmgabeln j

100, 101, 102 und 103 eine gemeinsame Achse, ein zweiter Satz von vier Stimmgabeln 10O¹ ... 1o3' ebenfalls eine gemeinsame Achse, ist aber von der des Ausgangsschafts 105 beabstandet. Der Ausgangsschaft 105 kann wiederum an beiden Enden mit einer rechtwinkligen Ausnehmung bzw. öffnung 106 versehen sein, um sein Gewicht, seine Steife und damit seine Resonanzfrequenz zu verringern. Die Stimmgabeln - beispielsweise 100 ... 103 sind vom Ausgangsschaft durch breite Spalte 107, 108 und 110 getrennt. Der Ausgangsschaft kann wiederum zwischen den beiden Wänden 111, 112 festgelegt sein.

Der Ausgangsschaft 105 kann mit einem Vordrall versehen, d.h.

ί vorgespannt sein, um eine Phasenverschiebung zu erzeugen, so

! daß sich die Richtung der Winkelbewegung ebenso wie ihre Größe

i

j erfassen läßt. Der Ausgangsschaft 105 kann also dazu verwen-

det werden, um eine Ausgangsfrequenz zu liefern, die höher als

! die Erregerfrequenz sein kann. Das gleiche gilt für den Aus-

gangsschaft 72 der Fig. 10.

Es sei darauf verwiesen, daß die Elektroden vorzugsweise als j

Goldauftrag ausgebildet sind. Mittels Laserabgleich lassen j die beiden Schenkel jeder Stimmgabel sich symmetrieren; man entfernt dabei mit dem Laser einen geeigneten Teil der Elektrode

' eines Schenkels. Damit erhöht man den Gütefaktor des Resonanz
kreises.

Es ist folglich oben ein Winkelgeschwindigkeitssensor offenbart j • worden, der im wesentlichen aus einer von einem Oszillator er- j

, I

! regten Stimmgabel besteht. Die Winkelbewegung des Systems be-

i ι

j wirkt eine Auslenkung des Ausgangsschafts im rechten Winkel >

! I

! zur Richtung der Schwingungen. Diese Auslenkung läßt sich ent- >

! I

weder über einen Kapazitätseffekt, über einen Widerstandseffekt \

! I

; oder-durch eine piezoelektrisch erzeugte Spannung messen. Des- |

i gleichen kann man ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal erzeugen

' oder einen optischen Fühler verwenden. Weiterhin sind unter-

; schiedliche Konfigurationen mit mehreren Stimmgabeln angegeben ; j worden. Die bevorzugte Anordnung erlaubt eine Steuerung der |

i Frequenz des Ausgangssignals bezüglich der Schwingung des Füh- j ! " ί

ί lers. Ein solcher Winkelgeschwindigkeitssensor läßt sich nach j

i ' j

: den Verfahrensweisen der Halbleitertechnologie weitaus kosten- ;

I ι

! günstiger fertigen als eine herkömmliche Kreiselanordnung. Zu- !

ι ί

I j

i sätzlich zur billigeren Herstellung ist die Genauigkeit der ;

ί s

! Anordnung für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend - j

! j

! beispielsweise als Richtungs- und Fluglagereferenz in magne- ι

I tisch oder schwerkraftkorrigierten Anwendungen oder auch als ^:

! Referenzen mit der Qualität von Trägheitsreferenzen in in sich
abgeschlossenen Inertial-Leitsystemen.

2H

- Leerseite -

Claims

Patentansprü ehe

1. Winkelgeschwindigkeits-Fühlsystem, gekennzeichnet durch (a) eine resonante Struktur aus Quarz mit piezoelektrischen Eigenschaften, wobei das Element mindestens zwei schwingende Elemente aufweist, die jeweils aus zwei im wesentlichen parallelen Schenkeln sowie einem gemeinsamen Schaft bestehen, wobei die Schenkel und der Schaft in einer Ebene liegen und der gemeinsame Schaft als Ausgangsschaft dient, und wobei die Struktur einen symmetrischen resonanten Fühler bildet, der ausschließlich auf eine Winkelbewegung um eine parallel zum Ausgangsschaft verlaufende Achse an-

_ 2 —

spricht, so daß der Ausgangsschaft eine Torsionsauslenkung erfährt;

(b) eine mit den Schenkeln gekoppelte elektromagnetische Einrichtung, die diese zu Schwingungen mit einer Erregungsfrequenz erregt; und

(c) eine mit dem Ausgangsschaft gekoppelte Ausgangseinrichtung, um ein elektrisches Signal abzuleiten, das der Winkelgeschwindigkeit der Bewegung um die Achse entspricht, die das System erfährt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Elemente zum Ausgangsschaft symmetrisch angeordnet und beabstandet sowie zu diesem im wesentlichen parallel verlaufen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Elemente im wesentlichen rechtwinklig zum Ausgangsschaft und symmetrisch zu ihm angeordnet sind.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Elemente und der Ausgangsschaft eine Quarz-Stimmgabel mit piezoelektrischen Eigenschaften bilden und die Stimmgabel den symmetrischen resonanten Sensor bildet, der ausschließlich auf die Winkelbewegung um eine zum Ausgangsschaft parallele Achse anspricht, so daß der Ausgangsschaft eine Tor-

sionsauslenkung erfährt, und daß die Ausgangseinrichtung einen Phasendetektor für das elektrische Signal sowie eine Einrichtung aufweist, um ein der Winkelgeschwindigkeit der Bewegung entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die \

j elektromagnetische Einrichtung einen Erregeroszillator, eine \ mit jedem Schenkel verbundene erste Elektrode sowie eine von der ersten Elektrode beabstandete feste Elektrode aufweist und daß die Elektroden mit dem Oszillator verbunden sind.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung ein Paar Ausgangselektroden für jeden Schenkel auf dem Ausgangsschaft aufweist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Auslenkung des Schafts infolge der Winkelbewegung entspricht, wobei die Paare von Ausgangselektroden an den Phasendetektor angeschlossen sind.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden an den Phasendetektor und der Phasendetektor an den Erregeroszillator angeschlossen ist, um das Ausgangssignal zu erzeugen.

8. System nach einem der Ansprüche 4 ... 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abstimmgabeln vorgesehen sind, die im we-

-A-

sentlichen rechtwinklig zum Ausgangsschaft angeordnet sind, wobei der Ausgangsschaft zwischen zwei im wesentlichen festen Elementen angeordnet ist.

9. System nach einem der Ansprüche 4 ... 7, dadurch gekenn- ; zeichnet, daß vier Stimmgabeln vorgesehen sind, die jeweils paarweise entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind,

die parallel zum Ausgangsschaft verläuft, wobei der Ausgangs-

; schaft zwischen zwei im wesentlichen festen Elementen ange- ! ordnet ist.

!

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die

j elektromagnetische Einrichtung eine Erregerelektrode für die ; Schenkel jeder Stimmgabel sowie einen Erregeroszillator mit

zwei Ausgangsleitungen für die Erregerelektroden aufweist,

! wobei die Erregerelektroden jedes Schenkelpaares eines Paares

ι von Stimmgabeln jeweils mit entgegengesetzten Leitungen des Erregeroszillators und die Erregerelektroden des anderen Paares von Stimmgabeln jeweils mit den Leitungen des Erregeroszillators verbunden sind, um das andere Paar Stimmgabeln gegenphasig zum ersten Paar Stimmgabeln schwingt.

11. System nach einem der Ansprüche 4 ... 7, dadurch gekennzeichnet, daß acht Stimmgabeln vorgesehen sind, wobei vier der Stimmgabeln eine gemeinsame erste Achse und die anderen vier Stimmgabeln eine gemeinsame zweite Achse aufweisen, die

: erste und die zweite Achse im wesentlichen äquidistant vom ge- ;

^: meinsamen Schaft und parallel zu diesem verlaufen, daß der ge- ,

! i

meinsame Schaft im wesentlichen parallel zu den Achsen und ,

gleich weit wie diese verläuft, und daß der gemeinsame Schaft ;

zwischen zwei im wesentlichen festen Elementen angeordnet ist. ·

^: ι

12. Winkelgeschwindigkeitsfühler, gekennzeichnet durch

(a) ein einheitliches Element aus Quarz mit zwei im wesentlichen parallelen Abschnitten, die jeweils in der Mitte mit einem ersten Spalt ausgebildet sind, wobei ein kleiner Steg zwischen den beiden Teilen jedes Abschnitts verbleibt und jeder Teil einen Schenkel einer Stimmgabel bildet, wobei

(b) die Abschnitte an jedem Ende mit einem Verbindungselement miteinander verbunden sind, das einen Ausgangsschaft bildet, wobei jedes der Elemente vom zugehörigen Abschnitt durch einen zweiten Spalt getrennt ist, der eine kleine Brücke zwischen jedem Element und dem zugehörigen Abschnitt läßt, und die Spalte die Eingangsträgheit und die Frequenz des Fühlers bestimmen, so daß die Abmessungen der Spalte und der Teile und die Massen der Abschnitte, Teile und Elemente die Resonanzfrequenz der Schenkel und die Frequenz eines Ausgangssignales bestimmen, das die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung anzeigt, die der Fühler erfährt.

13. Fühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse vorgesehen ist, daß auf jedem Schenkel ein Paar Erregerelektroden vorgesehen ist, und daß auf jedem Schenkel Ausgangselektroden vorgesehen sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Auslenkung der Schenkel entspricht, wobei das Gehäuse von den Elektroden beabstandet liegt.

14. Fühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenfläche des Gehäuses für jede der Stimmgabeln ein Paar innerer Elektroden vorgesehen ist, die mit einem Erregeroszillator verbunden sind.

15. Fühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zur Aufnahme der Elektroden geätzt ist.

16. System nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschaft mit einem Vordrall ausgeführt ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Richtung der Winkelgeschwindigkeit angibt.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschaft mit mindestens einem, im wesentlichen rechteckigen Ausschnitt ausgeführt wird, um sein Gewicht und seine Steife zu verringern.